刀具快速参数化建模理论及平台搭建

林智，张安山，岳彩旭，陈志涛，刘智博，胡德生

哈尔滨理工大学先进制造智能化技术教育部重点实验室

1 引言

随着中国制造2025和工业4.0的提出，智能制造成为新一轮工业革命的核心技术[1]。智能制造增加了金属切削刀具的复杂程度，对刀具设计与制造周期提出了较高要求。为提高刀具制造质量与效率，基于数字孪生的刀具设计与制造[2]成为新的发展方向。其中刀具数据交互是刀具制造过程中构建数字孪生模型必不可少的部分，为了提高刀具数据交互速度和质量，刀具建模的参数化与标准化尤为重要。

目前，国内外学者对金属切削刀具参数化建模进行了大量研究。吴春亚等[3]利用UG/Open与Visual Studio软件二次开发功能，实现四刃平头铣刀的参数化建模设计。张旭等[4]通过基于C++的UG/Open API与UG/Open GRIP软件相互调用，实现微织构刀具的参数化设计。吴明阳等[5]利用UG/Open API与VC6.0软件开发了刀片断屑槽自动化设计系统。文立东等[6]利用UG软件提供的二次开发工具和C++对可转位成型车刀进行了参数化建模。Ji S.Y.等[7]利用UG/Open软件实现了面铣刀的参数化设计。然而上述研究在实现刀具参数化建模的过程中仍需要使用UG软件操作界面，对刀具参数化建模的效率有一定影响。

在刀具模型建立标准化的研究与应用方面，国际上为了促进切削工具在设计、制造、分销和使用过程中交换数据[8]，建立了ISO13399《切削刀具数据的表达与交换》(以下简称ISO13399标准)。ISO13399标准通过描述切削工具和切削工具组件各种数据所需的信息结构，提供了切削工具数据的电子表示方法[9]。山特维克可乐满作为ISO13399标准的制定者和世界上最大的金属切削刀具制造商之一已经开始采用此标准[10]，利用CoroPlus ToolGuide刀具选择软件从符合ISO13399标准的刀具样本中创建刀具组装模型。肯纳金属公司推出的NOVO系统是高级数字化工具选择系统和工艺设计系统，同样对刀具数据进行了标准化[11]。专业的刀具数据管理解决方案提供商TDM也执行了ISO13399标准。目前我国成都伊高智能科技有限公司推出的精密刀具智能选用服务平台ToolsERA完全遵循了ISO13399标准[12]，株洲钻石切削刀具股份有限公司正在研发的株钻数字化刀具库也遵循了ISO13399标准，此外，其他刀具厂商尚未明确提出遵循ISO13399标准，刀具数据标准化在我国尚未完全推广。

上述平台大多为刀具选用平台，基于ISO13399标准的复杂刀具设计平台较少。针对定制化复杂刀具设计流程复杂和开发周期长的问题，本文以变螺距螺旋角高效立铣刀为例，在ISO13399标准的基础上，采用Python对UG软件二次开发的方法完成刀具参数化建模。

Python是一种面向对象的、开源的脚本编程语言，具有简单易用的特点，PyQt5是Python的一个界面制作插件。通过PyQt5制作的刀具参数化建模平台，可以在无需打开UG操作界面的情况下输入刀具设计参数，便可自动生成用于刀具生产现场的二维图纸、用于刀具数据信息交换的三维模型和用于切削过程有限元仿真的三维模型，并实现刀具模型的云存储功能。以此提高刀具设计的效率和缩短刀具设计周期，为刀具制造过程数字孪生模型构建提供标准化刀具模型。

2 参数化建模方法分析

刀具设计到制造的过程涉及几何参数的反复优化和修改，如果不进行参数化建模，每次修改刀具参数后都需重新建模。参数化建模主要是维持刀具模型的拓扑关系基本不变，通过改变模型尺寸或改变表达式中的参数值实现模型重建，适合结构类似或同系列的产品设计[13]。

2.1 参数化模型建立方法

刀具模型的参数化建模需要使用基于特征的参数化建模和基于草图的参数化建模两种方式。基于特征的参数化建模是基础，特征的分类与组合方式如图1所示，通过编辑特征参数可以实现刀具模型的随动。草图是一种特殊的特征，基于草图的参数化建模是利用草图功能创建参数化截面，通过对草图的拉伸、旋转和扫掠等操作即可得到刀具模型。

2.2 参数化实现方法

实现参数化的方法一般分为程序设计法和设计变量法。程序设计法用程序描述UG软件建模过程，通过UG/Open API接口实现具体功能；设计变量法通过控制预建立模型的设计变量来控制三维模型的变化，主要有电子表格法、关系表达式法、用户自定义特征法。

本文使用设计变量法中的关系表达式法，表达式的特点是用函数关系表达各个参数之间的关系，可以把参数定义为数字和公式。通过修改表达式中一个或几个参数便可完成对刀具的修改。将修改后的表达式文件(.exp)导入符合ISO13399标准的预建立刀具模型中，并生成新的刀具模型，实现刀具模型的参数化建模。该方法的优点是容易录制参数化操作记录，建模速度快，但对预建立的刀具模型要求较高，需要保证模型的草图约束完整和特征关系准确，所以实现刀具参数化建模的前提是对刀具进行标准化建模。

图1 特征的分类与组合方式

2.3 刀具标准化建模

ISO13399标准并非是指导切削刀具设计的标准，而是定义切削刀具信息表达方式的标准，目前共发布36个子系列标准。ISO13399-80标准为创建和交换三维模型的概述和原则，定义了切削项目、工具项目和自适应项目的基本设计特征与所使用的属性相关项。该子系列标准定义了三维模型的设计元素(包括参考系、平面、坐标轴、基本模型及详细模型的结构)，规定了模型、切削刃线和切削零件线的颜色设置[14]。

3 参数化平台开发

区别于以往使用UG/Open对UG软件进行二次开发的方式，本文使用Python对UG软件进行二次开发，以实现刀具模型的参数化建模。这种方法的优点是脱离UG软件主窗口，通过Python制作的用户交互界面即可实现刀具模型的参数化建模，并生成符合ISO13399标准的二维图纸和三维模型，可以直接用于现场加工和有限元仿真，极大提高了刀具设计速度。首先编制界面程序与逻辑程序，通过主程序连接界面程序与逻辑程序，完成整个参数化建模系统的开发，参数化系统的实现原理见图2。

实现界面与逻辑程序分离的优点是代码结构清晰，如果需要更新刀具参数化建模界面，只需将更新的.ui文件转化成Python代码替换原文件即可，不会影响其他程序。

图2 实现原理

3.1 界面程序开发

在制作图形用户界面(GUI)时，一般可以通过纯代码编写和GUI制作工具两种方式实现。纯代码编写对编制人员要求较高，而GUI制作工具具有强大且灵活的可视化设计窗口，可以提高设计效率。PyQt5是Python与Qt的结合产物，应用PyQt5可以高效地编写各类GUI。本文使用PyQt5作为刀具参数化建模界面的制作工具，再利用PyUIC插件将界面的UI文件转换为Python代码，完成界面程序的开发。

3.2 逻辑程序与主程序开发

逻辑程序是刀具实现参数化建模的核心，它获取用户在参数化建模界面输入的参数，并生成新的.exp文件，在UG软件后台运行.bat文件，读取预录制的参数化操作记录文件，将新生成的.exp文件导入预建立的标准化刀具模型中，生成新的刀具模型文件。

参数化操作记录文件是以Python语言为基础，通过UG的录制功能记录导入.exp文件并生成新刀具模型文件。此外，通过逻辑程序还可以实现基于MySQL的刀具模型云数据库的管理功能。

通过主程序连接界面程序与逻辑程序，完成刀具参数化建模平台的开发，为了使开发的平台可以在计算机上直接运行，还需使用pyinsatller插件将.py文件转换成.exe文件。

4 刀具参数化建模实例

整体式立铣刀是金属切削刀具中的重要组成部分。本文以变螺距螺旋角高效立铣刀为例，介绍整体式立铣刀参数化建模过程。刀具为五刃圆角立铣刀，刀具结构见图3a。该刀具用于加工材料为TC4钛合金的飞机框梁类零件，零件为薄壁件，具有尺寸大、生产批量小的特点。刀具刃型复杂，制造精度高；采用不等齿距、不等螺旋角设计，能够有效抑制振动，从而获得优异的加工表面质量；采用圆弧清边设计，刃口强度高，可实现稳定切削加工；刀具选用难加工材料专用基体和专用涂层，刃口采用先进设备进行精准钝化处理，可有效提升刀具使用寿命。

刀具的切削工艺参数为每转进给量0.4mm，在铣内外形等特征时，切削宽度为0.5～1mm，切削深度为20～25mm；在铣腹板特征时，切削宽度为12～16mm，切削深度为0.5～1mm。该铣刀周刃为主要切削部位，因此选择影响切削过程的主要参数(螺旋角、周刃前角、周刃后角和端刃第一后角)作为刀具设计角度。为了便于研究，将5个螺旋角按如图3a所示的方法分成三组。

(a)铣刀几何结构特征

(b)铣刀关键参数关系

4.1 标准化建模

ISO13399-303为实体立铣刀的三维模型创建和交换，它描述了实体立铣刀三维模型建立的详细过程[15]。变螺距螺旋角高效立铣刀各部分结构与关键参数关系见图3b，标准化建模需要提取的关键参数见表1。表示参数的符号符合ISO13399标准，标准化建模过程由五部分构成。

表1 标准化建模关键参数

注：*标注的参数名称在ISO13399标准中暂无指定符号。

(1)参考坐标系

立铣刀建模使用笛卡尔右手坐标系，包含主坐标系、安装坐标系和切削坐标系三个坐标系。“PCS”主坐标系定义了空间的刀具位置；“MCS”安装坐标系有助于将立铣刀安装到刀夹上；“CIP”切削坐标系位于立铣刀的底刃。三个坐标系与立铣刀草图轮廓的位置见图4a。

(2)平面

对于立铣刀的建模，应建立如图4b所示的“TEP”工具端面、“LPRP”夹持突出长度平面、“LSP”刀柄长度平面、“LHP”刀头长度平面和“CLP”切削长度平面。

(3)非切削部分建模

立铣刀非切削部分的建模基础是“旋转”命令，轮廓包含平面“TEP”与平面“CLP”之间的所有元素，并在坐标系“PCS”的YZ平面内建立草图，草图的旋转轴为z轴。通过“旋转”命令得到了如图4b所示的非切削部分基本建模。

(4)切削部分建模

立铣刀切削部分的轮廓建模应参照坐标系“CIP”和平面“CLP”，并在坐标系“PCS”的YZ平面内建立草图，草图的旋转轴为z轴。通过“旋转”命令得到了如图4b所示的切削部分的基本建模。

(5)细节部分建模

立铣刀的倒角建模通过“倒斜角”命令实现，端刃和周刃的形状通过“扫掠”、“修剪体”和“减去”等命令实现，最终完成如图4c所示的刀具细节建模。

4.2 参数化建模

打开打包后的软件，启动如图5所示的变螺距螺旋角高效立铣刀参数化建模平台，在用户界面输入刀具设计角度参数并点击“生成模型”，即可自动生成如图4c所示的变螺距螺旋角高效立铣刀三维模型和如图6a所示的二维图纸，此外，通过如图6b所示的图纸信息界面在二维图纸的标题栏输入刀具信息。据统计，采用传统方式建立三维模型和绘制二维图纸需要约20min，而使用本平台仅需要2min，建模及绘图效率提升了90%。

(c)细节模型

图5 变螺距螺旋角高效立铣刀参数化建模平台

图6 变螺距螺旋角高效立铣刀二维图纸及信息界面

点击“上传和下载模型”，打开如图7所示的刀具模型管理界面。该界面可以管理刀具模型云数据库，实现刀具模型数据的上传和下载。

5 结语

针对缩短复杂刀具设计周期和提高设计效率的问题，本文提出基于ISO13399刀具标准化建模思想，采用UG软件二次开发的方法实现复杂刀具快速参数化建模，得出以下结论。

(1)使用关系表达式法并遵循ISO13399标准建立的刀具模型具有良好的刀具信息交互性，可以为刀具制造过程构建数字孪生模型提供标准化刀具模型。

(2)基于Python开源和简单易用的特点，使用Python对UG软件进行二次开发，实现刀具参数化建模。使用PyQt5开发的刀具参数化建模平台可以快速生成二维图纸及三维模型，实现了模型数据的云存储功能。

(3)以变螺距螺旋角高效立铣刀为例，搭建快速参数化建模平台进行建模比常规建模效率提升了90%。该平台的开发对刀具的定制设计有重要指导意义，可以提高刀具设计的效率，缩短刀具设计周期。